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钻井液体系简介钻井液工艺原理电子教案第二章上一内容下一内容回主目录返回钻井液工艺原理电子教案—第七章上一内容下一内容回主目录返回•本章要点：•1、了解常见钻井液体系及其特点•2、了解几种新型钻井液及其特点钻井液工艺原理电子教案—第七章上一内容下一内容回主目录返回§7-1分散钻井液由淡水、配浆膨润土和各种分散剂（对粘土、钻屑起分散作用的处理剂）配制而成的水基钻井液称为分散钻井液。为了与钙处理钻井液相区别，有时又称为细分散钻井液或淡水钻井液。它是油气钻井中最早使用并且使用时间相当长的一类水基钻井液。特别是在钻开表层时，至今仍然普遍使用。1．膨润土及原浆的配制膨润土逐渐分散在淡水中致使泥浆的粘度、切力不断增加的过程称为造浆，每吨粘土能配出表观粘度为15mpa·s的钻井液体积称做粘土的造浆率。在配置原浆时，还需要加入适量的纯碱，以提高粘土的造浆率。一、分散钻井液的组成§7-1分散钻井液2、分散剂和钻井液用于分散型钻井液的降粘剂（分散剂）种类较多，主要降粘剂有丹宁碱液、铁铬木质素磺酸盐、褐煤及其改性产品；主要降滤失剂有：钠羧甲基纤维素CMC、聚阴离子纤维素、磺化褐煤或磺化酚醛树脂；烧碱调节pH值；重晶石做加重剂。国内深井、超深井使用的抗高温钻井液-三磺钻井液配方：磺化丹宁或磺化栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂。重铬酸钾和Span-80提高抗温性。§7-1分散钻井液二、分散钻井液的特点分散钻井液的主要特点是粘土在水中高度分散，正是通过高度分散的粘土颗粒使钻井液具有所需的流变和降滤失性能。1、优点(1)配制方法简便、成本较低；(2)固相容量高，适于配制高密度钻井液，密度可高达2.00g／cm3以上；(3)抗温能力较强，比如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂为主处理剂的三磺钻井液是我国常用于钻深井的分散钻井液体系，抗温可达160-200℃。§7-1分散钻井液2、缺点：（分散钻井液在使用、维护过程中存在难克服的缺点和局限性）：(1)性能不稳定，容易受粘土和可溶性盐类的污染。钻遇盐膏层时，少量石膏、岩盐就会使钻井液性能发生较大的变化；(2)滤液的矿化度低，容易引起井壁附近的泥页岩水化、松散、垮塌，并使井壁的岩盐溶解，即钻井液抑制性能差，不利于防塌；(3)体系中固相含量高，特别是粒径小于1um的亚微米颗粒所占比例相当高，因此对机械钻速有明显的影响，尤其不宜在强造浆地层中使用；(4)滤液侵入易引起粘土膨胀，因而不能有效地保护油气层，钻遇油气层时必须加以改造才能达到要求。§7-1分散钻井液三、钻井液的受侵及其处理其中最常见的是钙侵、盐侵和盐水侵，此外还有Mg2+、CO32-、H2S和O2等造成的污染。1．钙侵Ca2+进入钻井液的途径：危害：处理方法：§7-1分散钻井液2、盐侵和盐水侵（1）变化规律及作用机理：（2）处理目前常用的处理方法是及时补充抗盐性强的各种处理剂，将分散钻井液转化为盐水钻井液。§7-1分散钻井液3．硫化氢污染H2S主要来自含硫地层，此外某些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐在井底高温下也会分解产生H2S。H2S对人有很强的毒性，在其浓度为800mg／L以上的环境中停留就可能因窒息而导致死亡。同时，H2S对钻具和套管有极强的腐蚀作用。总的腐蚀过程可用下式表示：(臭鸡蛋味)Fe+xH2S＝FeSx+xH2关于腐蚀的机理，目前普遍认为是由于氢脆的发生。由于H2S、HS-、S2-以及FeSx等的存在，电离出的H+会迅速地吸附在金属表面，并进而渗入金属晶格内，转变为原子氢。当金属内有夹杂物、晶格错位现象或其它缺陷时(通常都比较严重)，原子氢便在这些易损部位聚结，结合成H2。§7-1分散钻井液4.清除污染物所需处理剂用量的确定在判断出进入钻井液的是何种污染物，并已决定选用何种处理剂将其清除之后，剩下的问题就是如何确定处理剂的用量。由于采取的是化学清除方法，因此确定处理剂用量的基本原则是：所用处理剂与污染物在钻井液滤液中的当量浓度应保持相等。§7-1分散钻井液第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-2钙处理钻井液钙处理钻井液是在使用分散钻井液的基础上，于20世纪60年代发展起来的具有较好的抗盐、抗钙污染能力和对泥页岩水化具有较强抑制作用的一类钻井液。由于体系中粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，因此又称之为粗分散钻井液。目前常用的无机絮凝剂有三种：石灰、石膏和氯化钙。为了进一步增强其抑制性能，采用石灰和KOH联合处理，称为钾石灰钻井液。这四种钙处理钻井液都是以Ca2+提供抑制性化学环境，使钻井液中的钠土转变为钙土，从而使粘土颗粒由高度分散转变为适度絮凝。钙处理钻井液可在很大程度上克服细分散钻井液的缺点，具有防塌、抗污染和在含有较多Ca2+时使性能保持稳定的特点。一、钙处理钻井液的配制原理及特点Ca2+改变粘土分散度的作用机理，可以从以下两方面来理解。一方面，Ca2+通过Na+／Ca2+交换，将钠土转变为钙土。钙土水化能力弱，分散度低，故转化后体系分散度明显下降。转化的程度取决于粘土的阳离子交换容量和滤液中Ca2+的浓度。粘土的阳离子交换容量越高，所吸附Ca2+的量就越大。同时，通过控制滤液中Ca2+的浓度，可以控制钠土转变为钙土的数量，从而控制钻井液中粘土的分散度。另一方面，Ca2+本身是一种无机絮凝剂，会压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄，电动电位下降，从而引起粘土晶片面—面和端—面聚结，造成粘土颗粒分散度下降。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-2钙处理钻井液使钻井液处于适度絮凝的粗分散状态有两条途径：一是在分散钻井液中同时加入适量的钙盐(或石灰)和分散剂；二是在受钙侵后处于絮凝状态的钻并液中及时加入分散剂。在适度絮凝的粗分散状态中，其絮凝和分散程度也有所区别，加人分散剂可使颗粒变细，絮凝程度降低；反之加钙盐则使颗粒变粗，絮凝程度提高。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-2钙处理钻井液优点：与分散钻井液相比，钙处理钻井液的优点主要表现在以下方面：（1）性能较稳定，具有较强的抗钙污染、盐污染和粘土污染的能力。（2）固相含量相对较少，容易在高密度条件下维持较低的粘度和切力，有利于提高钻速。（3）能在一定程度上抑制泥页岩水化膨胀；滤失量较小，泥饼薄且韧性好，有利于井壁稳定。（4）由于钻井液中粘土细颗粒含量较少，对油气层的损害程度相对较小。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-2钙处理钻井液第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-3盐水钻井液一、盐水钻井液的定义和分类凡NaCl含量超过1％的钻井液统称为盐水钻井液。一般将其分为以下三种类型：(1)一般盐水钻井液其含盐量自1％直至饱和之前均属此类。(2)饱和盐水钻井液是指含盐量达到饱和，即常温下浓度为3.15×105mg/L左右的钻井液。注意NaCl溶解度随温度变化而变化。(3)海水钻井液是指用海水配制而成的含盐钻井液。体系中不仅含有约3×104mg/L的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。二、盐水钻井液的配制原理及特点与钙处理钻井液的配制原理相同，通过人为地添加无机阳离子来抑制粘土颗粒的水化膨胀和分散，并在分散剂的协同作用下，形成抑制性粗分散钻井液的。盐水钻井液的pH值一般随含盐量的增加而下降，这一方面是由于滤液中的Na+与粘土矿物晶层间的H+发生了离子交换；另一方面则是由于工业食盐中含有的MgCl2杂质与滤液中的OH-反应，生成Mg(OH)2沉淀，从而消耗了OH-所导致的结果。因此，在使用盐水钻井液时应注意及时补充烧碱，以便维持一定的pH值。一般情况下，盐水钻井液的pH值应保持在9.5~11.0之间。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-3盐水钻井液优点：（1）由于矿化度高，因此这种体系具有较强的抑制性，能有效地抑制泥页岩水化，保证井壁稳定；（2）不仅抗盐侵的能力很强，而且能够有效地抗钙侵和抗高温，适于钻含岩盐地层或含盐膏地层，以及在深井和超深井中使用；（3）由于其滤液性质与地层原生水比较接近，故对油气层的损害较轻；（4）由于钻出的岩屑不易在盐水中水化分散，在地面容易被清除，因而有利于保持较低的固相含量；（5）盐水钻井液还能有效地抑制地层造浆，流动性好，性能较稳定。缺点：（1）维护工艺比较复杂；（2）对钻柱和设备的腐蚀性较大；（3）配制成本相对较高。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-3盐水钻井液第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章上一内容下一内容回主目录返回§7-4聚合物钻井液聚合物钻井液是自20世纪70年代初发展起来的一种新型钻井液体系。广义地讲，凡是使用线型水溶性聚合物作为处理剂的钻井液体系都可称为聚合物钻井液。但通常是将聚合物作为主处理剂或主要用聚合物调控性能的钻井液体系称为聚合物钻井液。一、聚合物钻井液概述1．发展概况聚合物钻井液最初是为提高钻井效率开发研究的。研究资料指出：钻井液的固相含量是影响钻井速度的一个主要因素。所以，清水的钻井速度应最高。但当时并没有能够有效清除钻井液中固相的手段。直到1958年首次应用了聚合物絮凝剂聚丙烯酰胺(简称PAM)后，才实现了真正的清水钻井。PAM可同时絮凝钻屑和蒙脱土，称为完全絮凝剂。在钻井液中加入极少量的PAM即可使钻屑絮凝而全部除去。清水钻井大大提高了钻速，但因其携带钻屑能力差，滤失量大，影响井壁稳定等缺点，不能广泛使用，只能用于地层特别稳定的浅层井段。1960年，发现有两类高聚物，即部分水解聚丙烯酰胺(简称PHPA或PHP)和醋酸乙烯酯—马来酸酐共聚物(简称VAMA)，具有选择性絮凝作用。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-4聚合物钻井液对钻屑的分散具有良好的抑制能力，处理过的钻井液体系中亚微米颗粒含量明显低于其它类型的水基钻井液，这对提高钻井速度是十分有益的。这类新型的聚合物钻井液体系称为“不分散低固相聚合物钻井液”。1966年，泛美石油公司在加拿大西部油田首次系统地使用了这种不分散低固相聚合物钻井液，大幅度提高了钻速。随后，这种钻井液体系在世界范围内推广应用，经受了不同地层、不同井深和不同密度等方面的考验，在提高钻井速度和降低钻井成本等方面效果显著，证明是一种技术先进的钻井液体系。1971年，在第八届世界石油大会上，不分散低固相聚合物钻井液的成功开发被列为70年代初钻井工艺最有影响的新进展之一，表明对钻井技术发展的促进作用是显著的。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-4聚合物钻井液为进一步提高聚合物钻井液的防塌能力，70年代后期发展了聚合物与无机盐(主要是氯化钾)配合的钻井液体系，发现该体系对水敏性地层的防塌效果显著。近20年来，聚合物处理剂的发展也很快，除带阴离子基团的处理剂如PHPA、VAMA、水解聚丙烯腈铵盐(简称NPAN)、聚丙烯酸盐等以外，近期又开发出带阳离子基团的阳离子聚合物和分子链中同时带阴离子基团、阳离子基团和非离子基团的两性离子聚合物处理剂，使聚合物钻井液技术得到不断发展和完善。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-4聚合物钻井液目前，根据聚合物处理剂的离子特性，可将聚合物钻井液分为阴离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液和两性离子聚合物钻井液。自20世纪70年代以来，聚合物钻井液技术已在我国得到普遍推广应用。同时，还对聚合物处理剂的抑制性、降滤失和降粘等作用机理进行了系统研究。目前，我国在各种聚合物钻井液体系的基础研究、新产品开发和推广应用方面，已接近或达到世界先进水平。主要介绍不分散低固相聚合物钻井液的组成、特点、涉及的基本理论以及现场应用等。第三节粘土的水化膨胀作用钻井液工艺原理电子教案第二章§7-4聚合物钻井液2．聚合物钻井液的特点与其它水基钻井液相比，聚合物钻井液优点：7个(1)固相含量低(2)具有良好的流变性(3)钻井速度高(4)稳定井壁的能力较强，井径比较规则。(5)对油气层的损害小，有利于发现和保护产层。(7)钻井成本低。(6)可防止井漏